KR102176363B1 - 다결정질 tm:ii-vi 재료로 이루어진 수직 입사 장착형 중간 적외선 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저 및 다결정질 tm:ii-vi 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저의 매개변수를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

다결정질 tm:ii-vi 재료로 이루어진 수직 입사 장착형 중간 적외선 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저 및 다결정질 tm:ii-vi 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저의 매개변수를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

케르 모드 잠금형("KLM") 레이저가 공진 공동으로 구성된다. 다결정질 전이 금속 도핑된 II-VI 재료들("TM:II-VI")로부터 선택된 이득 매체가 수직의 입사각으로 절단되고, 기본 파장에서 펄스형 레이저 빔을 방출하기 위해서 KLM 레이저를 유도하도록 공진 공동 내에 장착된다. 1.8 내지 8 미크론("㎛") 파장 범위 내에서 각각 변화되는, 기본 파장에서의 방출된 레이저 빔의 펄스가 30 내지 35 펨토초("fs") 시간 범위와 같거나 그보다 긴 펄스 지속시간 및 1 mW 내지 약 20 와트("W") 파워 범위 내의 평균 출력 파워를 갖는다. 개시된 공진 공동은 복수의 이격된 반사부로 구성되고, 그러한 반사부 중 2개가, 기본 파장 및 그 큰 고조파 파장에서의 레이저 빔을 출력하도록 펌핑되는 이득 매체의 옆에 위치되고 그로부터 이격된다. 이득 매체는, 그러한 이득 매체를 레이저 빔의 허리부를 따라서 제어 가능하게 변위시키도록 동작될 수 있는 병진운동 메커니즘 상에 장착된다. 이득 매체의 변위는, 기본 파장에서의 일차적인 출력과 큰 고조파 파장에서의 적어도 하나의 이차적인 출력 사이의 레이저 파워의 재분포를 유발한다.

Description

다결정질 TM:II-VI 재료로 이루어진 수직 입사 장착형 중간 적외선 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저 및 다결정질 TM:II-VI 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저의 매개변수를 제어하기 위한 방법{MID-IR KERR LENS MODE LOCKED LASER WITH NORMAL INCIDENCE MOUNTING OF POLYCRYSTALLINE TM:II-VI MATERIALS AND METHOD FOR CONTROLLING PARAMETERS OF POLYCRYSTALLINE TM:II-VI KERR LENS MODE LOCKED LASER}
본 개시 내용은 중간-적외선 솔리드 스테이트 자가-시작 케르 렌즈 모드-잠금형 레이저에 관한 것이다. 특히, 본 개시 내용은 1.8 내지 8 ㎛ 스펙트럼 범위에 걸쳐 피코초 및 펨토초 펄스를 방출하도록 동작되고 전이 금속 이온으로 도핑된 다결정질 재료의 II-VI 그룹으로부터 선택된 수직 컷팅된 이득 매체(normally cut gain medium)로 구성되는 케르 렌즈 모드-잠금형 레이저에 관한 것이다.
펄스형 레이저는, 광학적 신호 프로세싱, 레이저 수술, 생물-의학, 광학적 진단, 2-광자 현미경, 광학적 탐침, 광학적 반사율, 재료 프로세싱, 등과 같은 여러 분야에서의 적용예를 위해서 이용된다. 펄스형 레이저의 3가지 주요 분류 즉 Q-스위치형 레이저, 이득 스위치형 레이저, 및 모드-잠금형 레이저의 세 가지 종류가 있으며, 모드-잠금형 레이저가 본 개시 내용에서 특히 관심의 대상이다.
모드-잠금형 레이저는, 균일하게 이격된 짧은 단(short) 펄스 및 초-단 펄스를 생성할 수 있게 하는, 다른 위상에 대해서 잠금된 각각의 위상으로 동시적으로 진동하는 복수의 길이방향 모드를 갖는다. 고정된 위상 관계가, 모든 레이저 방출(lasing) 모드들 사이의 위상차가 일정하게 유지되도록 레이저 방출 모드들의 위상들을 동기화할 수 있는 모드-잠금 메커니즘에 의해서 구축된다. 이어서, 이러한 광학적 위상-잠금형 모드들이 서로 간섭하여 짧은 광학적 펄스를 형성한다.
케르-렌즈 모드-잠금(KLM)으로서 또한 지칭되는, 케르-렌즈 방법(케르-집속(focusing), 자가-집속)은 전이 금속 이온으로 도핑된 그룹 II 내지 VI의 재료 그리고 다른 광학적 재료(예를 들어, Ti-S)의 재료의 본질적인 현상을 기초로 하는 초-고속 모드-잠금 메커니즘 중 하나 이다. KLM은, 이득 매체 및 케르 매체를 포함하는 레이저 공동(laser cavity) 내에 축적되는 펄스가 자가-위상 변조(self-phase modulation)뿐만 아니라 자가-집속을 받게 되는 메커니즘이다. KLM이 가포화 흡수체(saturable absorber)가 아니지만, 케르 효과와 같은 비-선형적 광학적 성질들은, 임의의 본질적인 가포화 흡수체 보다 상당히 더 빠른 반응 시간을 가지는 인공적인 "가포화 흡수체" 효과를 제공한다.
전형적으로, KLM-기반의 레이저에서 이용되는 이득 매체는, 특히 양호한 열적-광학적 성질을 가지는 티타늄 사파이어 Ti:S를 포함한다. 공지된 바와 같이, Ti:S와 같은, 브루스터(Brewster) 장착형 이득 매체를 가지는 공진기의 단순성 및 장점은 그 장착과 연관된 단점 보다 상당히 우세하다.
표준 Ti:S 단결정질 매체와 대조적으로, 단결정 및 특히 다결정 형태의 전이 금속(TM) 도핑형 II-VI 재료는, Ti-S 적용 범위(0.7 내지 1.1 ㎛)에 대해서 보완적인 중간-적외선 범위(2 내지 8 ㎛) 내의 초-단 레이저 펄스의 생성을 위한 특유의 기회를 제공한다. 중간-적외선 파장 범위 내에서 동작하는 적절한 결정질 재료의 비제한적인 예에는, 1.8 내지 8 미크론의 스펙트럼 범위를 선택적으로 커버하는 대역폭을 나타내는 아연 셀렌화물(Zink Selenide)("ZnSe"), 아연 황화물("ZnS"), CdZnSe, CdZnTe 및 많은 다른 것이 포함될 수 있을 것이다.
여러 가지 이유로 인해서, 브루스터 구성으로 배치될 때, 이러한 재료는 열등한 열적 광학적 성질을 가지고 열적-광학적 효과의 매우 강한 불균일성을 특징으로 한다. 결과적으로, 브루스터 장착을 가지는 TM:II-VI 레이저의 출력 파워는 몇 와트(Watt)를 초과하지 않는다. 또한, 그러한 레이저의 효율이 제한되는데, 이는 비교적 낮은 펌프 흡수를 가지는 비교적 얇은 이득 요소의 이용 필요성 때문이다.
도 1은 다결정질 Cr2 +:ZnSe/ZnS KLM 레이저의 가능한 개요 중 하나의 작업 예를 도시한다. 저 노이즈 1550 nm 협대역 반도체 레이저를 기초로 하는, 선형적으로 편광화된 Er-도핑된 섬유 증폭기(EDFA)의 출력이, 2개의 곡선형 고반사(HR) 거울, 평면 HR 거울, 및 평면 출력 커플러(OC, R=99%)로 이루어진 표준 비점수차 보상형 비대칭적 Z-접힘구조(folded) 공진기에 결합된다. 비점수차는, 시상 평면(sagittal plane)(공동의 주요 평면에 수직인 평면) 및 접선방향(즉, 주요 평면에 평행한) 평면에 대한 빔 초점이 동일한 위치가 아니라는 것을 의미한다. 또한, 공동의 안정성 영역들이 상이한 평면들에 대해서 상이하고, 출력이 타원형이다. 이러한 현상이 보상을 필요로 한다.
도 1의 장치에서, 레이저 공동의 길이가 약 94 cm이다. KLM 체계가 2가지 유형의 레이저 (이득) 매체: 다결정질 Cr2 +:ZnS (2.0 mm 두께, 1550 nm에서의 43%의 저-신호 전도(transmission)) 및 다결정질 Cr2 +:ZnSe (2.4 mm 두께, 15% 전도)를 이용하여 얻어진다. 이득 요소가 평면-평행 폴리싱되고(polished), 코팅되지 않고, 그리고 강제적인 냉각이 없이 구리 히트 싱크(heat sink) 상에 브루스터 장착된다. 광학적 공동이 펄스를 지속하게 하기 위해서, 펄스가 공동을 통해서 순환할 때, 펄스의 일시적인(temporal) 형상 및 지속시간이 안정적으로 유지되어야 한다. 결과적으로, 펄스가 공동을 통과할 때 굴절률의 파장 의존성으로 인해서 펄스가 변형되고, 보상될 필요가 있다. 도시된 구성에서 사용된 공동 거울이 비-분산형인 반면, 이득 매체 및 다른 광학적 구성요소는 분산형이다. 분산 보상은 브루스터 장착형 융합된 실리카 판(Brewster mounted fused silica plate)(2 mm 두께) 및 YAG 판(4 mm 두께)의 조합을 이용하여 실시된다. 중앙 레이저 파장 근처의, 2400 nm에서의 공진기의 그룹 지연 분산이 약 -1000 fs2 이다.
레이저가 최대 CW 출력 파워를 위해서 최적화되고, 이어서 곡선형 거울들 사이의 거리가 KLM 체계 획득을 위해서 미세-조정된다. 모드-잠금형 레이저 진동이 OC 병진운동(translation)에 의해서 개시된다.
복수-시간의 미중단 단일-펄스 진동(multi-hour uninterrupted single-pulse oscillation)이 1 W 펌프 파워 및 60 mW 레이저 출력 파워에서 Cr2 +:ZnSe 내에서 관찰된다. 펌프 파워의 추가적인 증가가 복수-펄스화 및 모드-잠금의 빈번한 중단을 초래한다. Cr2 +:ZnS KLM 레이저의 최대 안정성이 1.25 W 펌핑 및 30 mW 출력 파워에서 도달된다(1 내지 2시간의 미중단 단일-펄스 진동).
도 2는 KLM 체계에서 Cr2 +:ZnS 및 Cr2 +:ZnSe 레이저들에 대해서 얻어진 방출 스펙트럼 및 자기 상관 트레이스(autocorrelation trace)를 비교한다. 측정이 160 MHz 펄스 반복율에서 단일 펄스 진동에 대해서 실시되었다. Cr2 +:ZnS 레이저의 출력이 sech2 변환 제한되고(transform limited): ΔτΔν = 0.315 시간-대역폭 곱(time-bandwidth product)일 때 sech2 프로파일 및 126 fs 펄스 지속시간이 방출 스펙트럼으로부터 계산될 때, 125 fs 펄스 지속시간이 자기 상관 트레이스로부터 유도되었다. 다른 한편으로, Cr2 +:ZnSe 레이저에 대한 자기 상관 트레이스의 형상이 처프 펄스(chirped pulse)를 나타낸다. 레이저의 방출 스펙트럼이 왜곡되고, 그에 따라, 시간-대역폭 곱이 증가된다. 대략적으로, Cr2 +:ZnSe 레이저의 펄스 지속시간이 100 내지 130 fs 범위 이내인 것으로 추정된다.
도 3은 공지된 KLM 레이저의 다소 단순화된 공동 설계를 도시한다. 구체적으로, 시드 레이저(seed laser)(10)에 의해서 펌핑된, 광학적 펌프 공급원(1)이 펌프 빔(녹색으로 도시됨)을 방출하고, 그러한 펌프 빔은, 렌즈 및 거울을 포함할 수 있는, 펌프 빔 집속 및 성형 광학장치(2)의 시스템을 통해서 전파되는 동안, 집속되고 성형된다. 이어서, 집속되고 성형된 빔이, 레이저 파장에서의 큰 반사도 및 펌프 파장에서의 큰 전도를 가지는 접힘구조의 오목한 유전체 코팅된 거울(3)을 통해서 광학적 공동 내로 결합된다. 이득 매체(4)를 통해서 추가적으로 전파된 후에, 희망 파장의 레이저 빔(적색으로 도시됨)이, 레이저 파장에서의 큰 반사도 및 펌프 파장에서의 큰 광학적 전도를 가지는 접힘구조의 오목한 유전체 코팅된 거울(5) 상에 충돌한다. 거울(5)로부터 반사된, 레이저 빔이, 유전체 또는 금속 코팅된, 레이저 파장에 큰 반사도를 가지는 평면 거울(6) 상으로 입사된다. 선택적으로, 브루스터의 각도로 레이저 공진기 내에 장착된 평면 평행 판과 같은, 분산 보상 구성요소(7)가 거울(5)과 거울(6) 사이에서 공동 아암 내에 위치된다. 거울(6)로부터의 뒤쪽-반사 이후에, 레이저 빔이 거울(5) 상으로 입사되고 이득 매체(4)를 통해서 전파되어 거울(3)에 충돌한다. 마지막으로, 레이저 빔이 출력 빔(9)으로서 출력 커플러("OC")(8)를 통해서 공동으로부터 분리된다. 레이저 빔의 경로가 적색으로 도시된 반면, 펌프 빔이 녹색으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같은, 이득 매체의 브루스터 장착이, 그 몇몇 장점으로 인해서, KLM 레이저에서 압도적으로 이용된다. 첫 번째로, 브루스터의 입사 각도에서, 특별한 p-편광을 가지는 광이 반사 없이 표면을 통해서 완벽하게 전도되고, 이는, 그에 따라, 특별하고 고가인 반사방지 코팅이 필요 없게 한다. 두 번째로, 이득 매체가 편광기로서 기능하고, 이는, 부가적인 편광기의 이용을 불필요하게 한다. 세 번째로, 이득 요소의 브루스터 장착 및 공진기의 매개변수의 특별한 선택은, 공진기 내에서 전파되는 레이저 빔의 그리고 출력 레이저 빔의 비점수차 보상을 가능하게 한다(비점수차는 곡선형 거울 표면 상의 광의 비-수직 입사에 의해서 유발된다). 공진기의 비점수차가 레이저의 성능(예를 들어, 출력 레이저 빔의 품질)을 저하시킬 수 있을 것이다. 케르-렌즈 모드 잠금과 같은, 일부 예민한 상황에서, 비점수차가 심지어 적절한 레이저 동작을 방해할 수 있을 것이다.
그러나, 이득 매체의 브루스터 장착의 단점이 없지는 않다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 브루스터 장착 체계가 이득 요소 내부의 레이저 및 펌프 빔의 강력한 불균일성을 포함한다. 광학적 빔이 일 방향으로 확장되고 수직 방향으로 원래의 크기를 유지한다. 브루스터 장착형 광학적 재료 내부의 빔 확장 인자가 재료의 굴절률(n)과 같다. 그에 따라, 브루스터 장착은 (i) 인자(n) 만큼 이득 요소 내부의 광학적 세기의 감소를 초래하고, (ii) 펌프 빔 및 레이저 빔의 비대칭성은 펌핑되는 채널 내부의 불균일한 열 방출을 초래하고 그에 따라 재료 내의 여러 가지 열적-광학적 효과의 불균일성을 초래한다.
브루스터 장착의 단점은 단결정질 TM:II-VI 재료에서 약 1 W의 출력 파워를 제한한다. 30 내지 60 mW의 출력 파워를 이용한 KLM 레이저 동작이 최근에 다결정질 재료에서 입증되었으나, 많은 산업적 및 과학적 적용예에서 요구되는 요건을 충족시키기 위해서는 명백하게 증가될 필요가 있다. 그러나, 공진기의 통상적인 체계를 이용한 KLM TM:II-VI 레이저의 추가적인 파워 크기조정(scaling)이 해결이 어려운 문제를 제시한다. 또한, 전술한 단점은 펄스 지속시간의 단축을 방해한다. 또 다시, 많은 적용예가, 희망하는 주파수 범위에서 약 40 펨토초의 현재 보고된 기록의 짧은 펄스로 현재 이용될 수 있는 것 보다 더 짧은 펄스를 요구한다.
원칙적으로, 브루스터 장착형 이득 매체의 광학적 밀도가 펌프 파워를 제한하고 그에 따라 출력 파워를 제한한다. 더 큰 펌프 파워의 이용을 가능하게 하는, 이득 매체의 두께 증가에 따라, 반드시 보상될 필요가 있는 비점수차의 정도가 증가된다. 그렇지 않은 경우에, 전술한 바와 같이, KLM-기반의 레이저가 비점수차 현상에 매우 민감하고, 최악의 가능한 시나리오에서, 적절한 동작을 중단시킬 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 보상이 용이하지도 않고 특히 효과적이지도 않다.
그에 따라, 전이 금속(TM) 도핑된 II-VI 재료들로부터 선택되고 공진기 공동 내에서 수직 각도로 장착되어 KLM 체계에서 레이저 출력 파워, 효율 및 펄스 지속시간을 상당히 개선하는 다결정질 비선형 재료를 포함하는 광학적 공동을 가지는 큰 파워의 중간-적외선 솔리드 스테이트 자가-시작 케르 렌즈 모드-잠금형 레이저가 요구되고 있다.
그에 따라, 몇 십 와트까지의 큰 파워의 초-단 펄스를 출력하기 위해서 큰 펌프 파워에서 동작될 수 있는 구성을 가지는 앞서서 개시된 중간-적외선 KLM 레이저가 추가적으로 요구되고 있다.
전술한 연결된 요구들이, 펌프 빔에 대한 수직 입사로 광학적 공동 내에 장착되는, TM 도핑된 II-VI 재료와 같은, 이득 매체로 구성된, 개시된 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저에 의해서 만족된다. 수직 입사 장착이 이하의 중요한 특징 및 장점을 갖는다:
레이저 빔 및 펌프 빔이 이득 매체 전체를 통해서 원형(circular)을 유지하고;
펌핑되는 채널 내부의 열 방출 및, 그에 따른, 재료 내의 여러 가지 열적-광학적 효과가 균일하고 축방향으로 대칭적이며;
이득 요소 내부의 광학적 세기가 (통상적인 브루스터 장착 체계에 비교하여) n의 인자 만큼 증가되며;
이득 요소 내부의 여러 가지 비선형 광학적 효과가 큰 광학적 세기로 인해서 증가되고;
케르 효과가 비선형적 성질을 가짐에 따라, 보다 현저한 비선형적 효과가 KLM 레이저 체계에서 중요하고;
TM:II-VI 매체 내의 보다 현저한 비선형적 케르 효과가 공진기의 비점수차의 (적어도 부분적인) 보상을 허용할 수 있을 것이다. 그에 따라, 수직 입사에서의 TM:II-VI 이득 요소의 이용은 KLM 레이저의 공진기 내의 비점수차의 보상에 대한 요건의 (어느 정도까지의) 완화를 허용한다.
수직 입사 장착은, 큰 길이 및 그에 따른 큰 펌프 흡수를 가지는 이득 요소의 이용을 크게 단순화한다.
큰 펌프 흡수 및 큰 광학적 세기는 보다 효율적인 레이저 상호 작용을 초래하고, 그에 따라 출력 커플러 매개변수의 선택에 있어서 탄력성을 가능하게 하고 그에 따라 (주어진 펌프 파워에서) 레이저 출력 파워의 증가를 가능하게 한다.
재료 내의 균일한 열적-광학적 효과는 (통상적인 브루스터 장착 체계와 비교할 때) 펌프 파워의 증가를 가능하게 하고, 그에 따라, 레이저 출력 파워의 추가적인 크기증가를 가능하게 한다.
전술한 모든 내용이 TM:II-VI 레이저 매체에 대해서 특히 중요한데, 이는 이러한 재료의 비교적 열등한 열적 광학적 성질 및 KLM 체계에서 동작하는 TM:II-VI-기반의 레이저 때문이다.
발명의 개념이 2개의 실시예에서 실현된다. 실시예의 각각이 바로 아래에서 간략히 개시되는 몇몇 양태를 포함한다.
제1 실시예의 제1 양태에 따라서, 발명에 따른 케르 모드 잠금형("KLM") 레이저가 공진 공동, 및 다결정질 전이 금속 도핑된 II-VI 재료들("TM:II-VI")로부터 선택된 이득 매체로 구성된다. 이득 매체가, 수직의 입사각으로 위치되고, 기본 파장에서 펄스형 레이저 빔을 방출하기에 충분한 공진 공동에 대한 케르-렌즈 모드 잠금을 유도하도록 공진 공동 내에 장착된다. 1.8 내지 8 미크론("㎛") 파장 범위 내에서 각각 변화되는, 기본 파장에서의 방출된 레이저 빔의 펄스가 30 내지 35 펨토초("fs") 시간 범위와 같거나 그보다 긴 펄스 지속시간 및 1 mW 내지 약 20 와트("W") 파워 범위 내의 평균 출력 파워를 갖는다.
제2 양태에 따라서, 제1 양태의 KLM 레이저가, 전체 기본 파장 범위 내의 기본 파장의 절반(SHG)에서 출력 레이저 빔의 방출을 제공하기에 충분한 위상-정합 대역폭 넓이(phase-matching bandwidth broad)를 가지는 이득 매체로 구성된다.
제3 양태에 따라서, 제1 및/또는 제2 양태의 발명에 따른 KLM 레이저는, 펌프 빔이 이득 매체를 통해서 전파될 때, 기본 파장의 제2, 제3 및 제4 고조파를 동시적으로 생성하기에 충분한 넓이의 위상-정합 대역폭으로 구성된 이득 매체를 갖는다.
제1, 제2 및 제3 양태와 임의로 조합된 또는 개별적으로 그러한 양태의 각각과 조합된 제4 양태에 따라서, 발명에 따른 KLM 레이저가 평면형 공진 공동을 더 포함한다.
제1, 제2, 제3 양태 및 제4 양태와 임의로 조합된 또는 개별적으로 그러한 양태 중 임의의 양태와 조합된 제5 양태에 따라서, 이득 매체가 TM 도핑된 이원계(binary) 및 삼원계 II-VI 재료를 포함한다.
전술한 5개의 양태의 각각 또는 그 양태의 임의 조합의 발명에 따른 KLM 레이저와 조합된 개시 내용의 제6 양태에 따라서, 이득 매체가 Cr2+:ZnSe, Cr2+:ZnS, Cr2+:CdSe, Cr2+:CdS, Cr2+:ZnTe, Cr2+:CdMnTe, Cr2+:CdZnTe, Cr2+:ZnSSe, Fe2+:ZnSe, Fe2+:ZnS, Fe2+:CdSe, Fe2+:CdS, Fe2+:ZnTe, Fe2+:CdMnTe, Fe2+:CdZnTe, 및 Fe2+:ZnSSe 그리고 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
개시 내용의 제7 양태에 따라서, 이전에 개시된 양태의 각각의 또는 그 양태의 임의 조합의 발명에 따른 KLM이 선형적으로 편광화된 섬유 레이저 펌프 공급원을 포함한다. 선형적으로 편광화된 섬유 레이저 펌프 공급원은 에르븀 또는 툴륨 도핑된 단일 모드 섬유로부터 선택되고 펌프 빔을 방출하도록 동작되며, 그러한 펌프 빔은 기본 파장과 상이한 펌프 파장에서 이득 매체 내로 결합된다. 레이저 빔 및 펌프 빔이 이득 매체를 통해서 전파되는 동안 원형을 유지한다.
제8 양태에서, 제1 내지 제7 양태의 각각 또는 이러한 양태의 임의 조합의 개시된 레이저 KLM 레이저가, 결합된 펌프 빔에 응답하여 열을 균일하게 방출하도록 구성된 이득 매체를 포함한다. 그러한 이득 매체는 펌핑된 이득 매체 내부에서 균일하고, 축방향으로 대칭적인 열적-광학적 효과를 생성한다.
개시 내용의 제9 양태에 따라서, 이전의 8개의 양태의 각각의 또는 그 양태의 임의 조합의 발명에 따른 KLM이 대역폭을 가지는 이득 매체를 포함한다. 대역폭은 펌프 파장 및 기본 파장의 합(sum) 및/또는 그들 사이의 차(difference)의, 및/또는 기본 주파수와 기본 주파수의 제2, 제3, 및/또는 제4 광학적 고조파의 합의 출력 레이저 빔을 생성하기에 충분히 넓다.
개시 내용의 제10 양태에서, 1 내지 9 양태의 각각에서 또는 이러한 양태의 임의 조합에서 개시된 바와 같은, 발명에 따른 KLM은, 통상적인 브루스터 장착 체계와 비교할 때, n의 인자 만큼 증가된 내부 광학적 세기를 가지는 이득 매체로 구성된다.
개시 내용의 제11 양태에서, 1 내지 10 양태의 각각에서 또는 이러한 양태의 임의 조합에서 개시된 바와 같은, 발명에 따른 KLM에서, 이득 매체가 공진 공동의 비점수차를 실질적으로 보상하도록 구성된다.
제12 양태에 따라서, 임의의 양태에서 개시된 바와 같은 KLM이, 펌프 빔의 경로 및 이득 매체의 측면을 따라서 서로로부터 이격된, 적어도 2개의 인접한 상류의 및 하류의 유전체적으로 코팅된 접힘구조의 거울들에 의해서 형성된 공진 공동으로 구성된다. 각각의 거울이 기본 파장에서 큰 반사도로 그리고 펌프 파장에서 큰 투과도로 구성되고, 하류의 접힘구조의 거울은 적어도 부분적으로 큰 고조파를 전도하도록 구성된다.
개시 내용의 제13 양태에 따라서, 이전에 개시된 양태의 각각 또는 그러한 양태의 임의 조합에서 개시된 바와 같은 KLM 레이저는, 기본 파장 출력 커플러 및 그러한 출력 커플러의 상류의 적어도 하나의 평면 이색성(dichroic) 거울에서의 적어도 부분적인 전도를 포함하는, 공진 공동을 갖는다. 공동은 기본적 파동 및 큰 고조파에서 큰 전도를 가지는 적어도 하나의 중간 판을 더 갖는다.
개시 내용의 제14 양태에서, 이전의 양태의 각각 및 그 임의 조합의 KLM이, 평면 평행 판 또는 프리즘으로서 구성되고 분산을 제한하도록 동작되는 분산 보상 요소를 포함하는 공진 공동으로 형성된다. 보상 요소가 브루스터 각도로 장착된다.
개시 내용의 제15 양태에서, 이전의 양태의 각각 및 그 임의 조합의 KLM이, 브루스터 장착형 복굴절 튜너(birefringent tuner)를 포함하는 공진 공동으로 형성된다.
개시 내용의 제16 양태에서, 이전의 양태의 각각 및 그 임의 조합의 KLM이, 이득 매체를 레이저 빔의 허리부(waist)를 따라서 공진 공동 내에서 변위시키는 병진운동 스테이지를 더 포함한다. 이득 매체의 변위를 제어하여, 기본 파장에서의 방출된 레이저 빔의 일차적인 출력 및 각각의 제2, 제3 및 제4 고조파에서의 이차적인 출력 사이에서 레이저 빔의 평균 파워를 재분포시킨다.
개시 내용의 제2 실시예에 따라서, 그 제1 양태는, 제1 실시예의 모든 이전의 양태 중 임의의 양태 또는 그 임의 조합에서 개시된 바와 같은, 케르 렌즈-모드("KLM") 잠금형 레이저에서 펨토초 레이저 방출의 비선형 주파수 변환을 위한 방법을 개시한다. 그러한 방법은 복수-통과(multi-pass) 공진 공동을 제공하고, 전이 금속 도핑된 II-VI("TM:II-VI") 재료들로부터 선택된 이득 매체를 장착하는 단계를 포함한다. 그러한 이득 매체가 공진 공동 내에서 수직 입사 각도로 절단(cut)된다. 케르-렌즈 모드가 공진 공동을 잠금하여, 기본 파장에서의 출력 펄스의 트레인(train)을 포함하는 레이저 방출의 일차적인 출력을 방출한다. 각각 1.8 내지 8 미크론("㎛") 파장 범위 내에서 각각 변화되는 펄스가 30 내지 35 펨토초("fs") 시간 범위와 같거나 그보다 긴 펄스 지속시간 및 1 mW 내지 약 20 와트("W") 파워 범위 내의 평균 출력 파워를 갖는다.
방법의 제2 양태에서, 공진 공동이 일차적인 출력과 동시적으로 이차적인 출력을 추가적으로 구비한다. 이차적인 출력이 기본 파장의 절반-파장이다.
제2 실시예의 제3 양태에서, 제1 및/또는 제2 양태의 방법이 일차적 및 이차적 출력과 동시적으로 기본 파장의 제3 및 제4 고조파에서의 레이저 빔의 부가적인 출력을 제공한다.
제2 실시예의 제4 양태에서, 이전의 양태 중 임의의 양태 또는 그 임의 조합의 방법이 기본 파장과 상이한 펌프 파장의 펌프 빔을 생성하는 단계, 및 펌프 빔을 이득 매체 내로 결합시키는 단계를 포함한다.
제2 실시예의 제5 양태에 따라서, 이전에 개시된 양태의 각각 및 그 임의 조합의 방법이 펌프 파장 및 기본 파장의 합 및 그 사이의 차, 그리고 기본 파장 및 제2, 제3, 및 제4 광학적 고조파 파장의 합 그리고 그 차에서의 레이저 빔의 부가적인 출력을 제공한다.
개시 내용의 전술한 그리고 다른 양태, 특징 및 장점이 이하의 도면으로부터 보다 용이하게 명확해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 KLM 레이저의 하나의 예시적인 개략도이다.
도 2는 도 1의 KLM 레이저에 대한 방출 스펙트럼 및 자기 상관 트레이스이다.
도 3은 종래 기술의 KLM 레이저의 다른 예시적인 개략도이다.
도 3a는 브루스터 장착형 이득 매체 내의 빔 전파를 도시한, 도 3의 확대된 상세도이다.
도 4는 발명에 따른 KLM 공진기의 하나의 설계의 광학적 개략도이다.
도 4a는 도 2의 확대된 이득 매체이다.
도 4b는 도 4의 개시된 KLM 레이저의 가능한 개략도 중 하나 이다.
도 5는 변환 제한된 레이저 방출 스펙트럼에 대한 이론적인 곡선이 대입된 개시된 KLM 레이저의 측정된 레이저 방출 스펙트럼이다.
도 5a는 자기 상관 트레이스이다.
도 5b는 개시된 KLM 레이저에 의해서 방출되는 출력 레이저 빔의 영상이다.
도 6은 최적화된 발명에 따른 KLM 레이저의 광학적 개략도이다.
도 7은, 각각의 상이한 반사도를 가지는 레이저의 출력 커플러로 구성된 도 6의 개시된 KLM 레이저의 측정된 방출 스펙트럼을 도시한다.
도 8은 도 7의 각각의 방출 스펙트럼에 상응하는 도 6의 KLM 레이저의 자기 상관 트레이스를 도시한다.
도 9는 개시된 KLM 레이저의 다결정질 전이 금속("TM") TM:II-IV 이득 매체의 확대도이다.
도 10은 발명에 따른 KLM 레이저의 다른 광학적 개략도이다.
도 11a는 각각의 기본적, 제2, 제3 및 제4 고조파 파장에서의 레이저의 출력 빔의 4개의 영상이다.
도 11b는 열카메라(pyrocamera)에 의해서 획득된 기본 파장 및 제2 고조파에서의 발명에 따른 KLM 레이저의 출력의 공간적 프로파일이다.
도 11c는 제2 고조파 파장에서 획득된 KLM 레이저 펄스 트레인의 파형이다.
도 12는 레이저의 매개변수를 제어하기 위한 수단을 구비하는 발명에 따른 KLM 레이저의 추가적인 광학적 개략도이다.
도 12a는 도 12의 이득 매체의 확대도이다.
도 13, 도 13a, 및 도 13b는 발명에 따른 KLM 레이저에 의한 68 fs 및 84 fs 펄스의 제어 가능한 생성을 도시한다.
도 14는 발명에 따른 KLM 레이저에 의한 46 fs 펄스의 제어 가능한 생성을 도시한다.
이제 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명할 것이다. 가능한 경우에는 언제든지, 동일한 또는 유사한 숫자를 도면 및 상세한 설명에서 이용하여, 종래 기술 및 발명에 따른 구성에 공통되는 동일한 또는 유사한 부분 또는 단계를 나타낸다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척(scale)을 가지지는 않는다. 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 다이오드 및 라이버(liber) 레이저 분야의 당업자에게 일반적이고 익숙한 의미가 명세서 및 청구범위 내의 단어 및 문구에 부여되도록 의도된다. "결합"이라는 단어 및 그 유사 용어가 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것이 아니고, 자유 공간 또는 중간 요소를 통한 기계적 및 광학적 연결을 또한 포함한다.
도 4는 도시된 공진기 내의 빔 전파 평면에 대해서 수직 입사로 장착된 이득 매체(4')를 가지는 개시된 KLM 레이저(50)의 예시적인 구성을 도시한다. 나머지 구성요소는 도 3의 구성요소와 유사하고, 공급원(10)을 기초로 하고 펌프 빔(녹색으로 도시됨)을 방출하는 광학적 펌프 공급원(1)을 포함한다. 펌프 공급원(1)이 표준 선형 편광형 단일 횡단 모드(standard linearly polarized single transverse mode)("SM") Er-도핑된 섬유 레이저(EDFL)로서 구성될 수 있을 것이다. 대안적으로, 공급원(10)이 툴륨("Tm")-도핑된 SM 섬유 레이저를 기초로 할 수 있을 것이다.
이득 매체(4')의 수직 입사 장착은 큰 출력 레이저 파워 및 효율을 달성하는데 있어서 중요하다. 특히, 다결정질 반사방지 코팅된 이득 요소(4')가 접힘구조의 오목한 유전체-코팅된 거울들(3 및 5) 사이에 결합된다. 이득 요소(4')가 평면 평행인 것으로 도시되어 있지만, 이는 또한 쐐기형(wedged)일 수 있을 것이다. 거울(3)이 레이저 파장에서 매우 반사적이고 펌프 파장에서 매우 투과적인 반면, 거울(5)은 레이저 파장에서 매우 반사적으로 그리고 펌프 파장에서 선택적으로 매우 투과적으로 구성된다. 공진기가 다양한 구성을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 4b는 도시된 바와 같은 둘 초과의 폴딩 거울을 가지는 공진기를 도시한다. 공진기 구성과 관계없이, 결국 레이저 빔이 출력 커플러("OC")(8) 상으로 충돌하고 레이저 파장의 출력 빔(9)으로서 공진기를 벗어난다.
분산 보상이 특별하게 최적화된 "분산성" 거울을 이용하여 실시될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 매우 반사적인 거울이 출력 커플러(8) 대신에 이용될 수 있을 것이다. 공진기가 레이저 파장 튜닝을 위한 부가적인 구성요소를 포함할 수 있을 것이다.
도 1 및 도 3의 KLM 레이저의 통상적인 공진기와 달리, 발명에 따른 평면형 공진기가 비점수차를 갖는다. 그러나, TM:II-VI 레이저 재료의 특별한 상황에서, 도 4b에 도시된 바와 같은, 이득 요소 내부의 펌프 빔 및 레이저 빔의 높은 균일성은 이득 요소가 공진 공동의 비점수차를 실질적으로 보상할 수 있게 한다. 이하에서 설명되는 원리 실험이, 그와 같은 진술을 확인한다. 또한, 접힘구조의 오목 거울의 곡률반경 및 폴딩 각도의 주의 깊은 선택에 의해서, 개시된 평면형 공진기의 비점수차가 보다 더 낮게 유지될 수 있다. 필요한 경우에, 레이저 분야의 당업자에게 잘 알려진 브루스터 광학적 요소가 없이 접힘구조의 공진기 내에서 비점수차를 보상하기 위한 수 많은 기술이 또한 있으나, 그들 모두는 단순히 선택적인 것이고 공지된 종래 기술 장치에서와 같이 필수적인 것은 아니다.
따라서, TM:II-VI 매체 내의 상당히-현저한 비선형적 케르 효과가 공진기의 비점수차의 상당한 보상을 허용할 수 있을 것이다. 그에 따라, 수직 입사의 TM:II-VI 이득 요소의 이용은 KLM 레이저(50)의 공진기 내의 비점수차의 보상에 대한 다소 완화된 요건을 허용한다.
이득 요소의 수직 입사 장착의 주요 장점은 (i) 펌프 빔 및 레이저 빔의 원형성으로 인한 이득 요소 내의 열적 광학적 효과의 보다 양호한 관리, (ii) (표준 브루스터 장착과 비교하는 경우의) 이득 요소 내의 펌프 및 레이저 세기의 상당한 증가, (iii) 큰 길이 및 부피 그리고 그에 따른 큰 펌프 흡수를 가지는 이득 요소의 이용의 큰 단순성이다. 수직 입사 장착이 또한 케르-렌즈 모드 잠금에 보다 유리할 수 있다.
도 5 내지 도 5b는 표준형의 대량-생산된 AR 코팅된 다결정질 Cr:ZnS 이득 요소(4)로 구성된 도 4의 KLM 레이저 평면형 공진기(50)의 결과를 도시한다. 레이저의 KLM 체계가 용이하게 얻어졌다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 레이저의 KLM 체계가 도 5의 레이저 방출 스펙트럼의 그리고 도 5a의 비선형 자기 상관 함수의 측정에 의해서 확인되었다. 84 fs 펄스 지속시간을 가지는 푸리에 변환 제한된 펄스가, 또한 이하에서 설명되는, 실험 데이터의 수학적 분석에 의해서 확인되었다. 변환-제한된 펄스가
Figure 112016105683712-pct00001
로서 결정된 이론적으로 가장 짧은 가능한 펄스이고, 여기에서 t는 펄스 지속시간이고
Figure 112016105683712-pct00002
스펙트럼 폭이다. 전술한 내용으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 특정의 지속시간으로 펄스화된 가장 짧은 가능한 광을 생성하기 위해서, 넓은 스펙트럼 대역폭이 요구된다. 확인될 수 있는 바와 같이, 테스트된 KLM TM:II-VI 레이저(50)가 동작되어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 93 MHz 반복율 및 펄스 에너지 14 nJ에서 약 1.3 W의 출력 파워 그리고 특징적인 변환된 제한된 펄스 및 양호한 빔 품질을 가지는 기본적/레이저 파장의 빔(9)을 출력하였다. 얻어진 출력 파워가 특이적으로 큰 것으로 생각된다.
도 6은 Cr2 +:ZnS 이득 요소(4)를 기초로 하고 최적화된 공진기를 가지는 발명에 따른 KLM 레이저(50)를 도시한다. HR - 분산형 큰 공진기 (GDD ~ -200 fs2), YAG - 2 mm 두께 브루스터 장착형 분산 보상 판, OC - 출력 커플러(|GDD| < 150 fs2), MgF2 - 선택적 0.5 mm 두께 브루스터 장착형 복굴적 튜너(Lyot 필터), L - 펌프 집속 렌즈. SHG - 제2 고조파 파장에서의 레이저의 이차적인 출력. 레이저가 Er-도핑된 섬유 레이저(EDFL)의 선형 편광화 복사선에 의해서 1567 nm에서 펌핑된다.
펌프 공급원(1)이 표준적인 선형적으로 편광화된 Er-도핑된 섬유 레이저(EDFL)를 포함한다. 레이저 출력 파워를 증가시키기 위해서, 1567 nm 펌프 파장에서 11% 저-신호 투과를 가지는 5 mm 길이의 다결정질 Cr2 +:ZnS 이득 요소(4')가 수냉형 구리 히트 싱크 상에서 수직 입사로 AR 코팅된 접힘구조의 거울들(3 및 5) 사이에 삽입되었다. 공동 레그(cavity leg)의 길이가 3 대 5 비율로 균일하지 않았다. 최대의 레이저 방출(2300-2400 nm)에서의 공진기의 전체적인 분산이 약 1400 - 1600 fs2였다. KLM 레이저의 파장 튜닝에 대한 실험을 위해서, MgF2 로 제조된 0.5 mm 두께의 브루스터-장착형 복굴절 튜너(11)(단일-판 Lyot 필터)가 이용되었다. 부가적으로, 2 mm 두께의 브루스터 장착형 YAG 판(12)이 거울들(6 및 13) 사이에 형성된 레그 내의 튜너(11) 다음에 배치되었다. 평면형 공진기는 OC(8) 바로 상류에서 평면형 거울들(15 및 14) 사이에 형성된 부가적인 레그를 더 포함한다. OC의 분산이 2200 내지 2400 nm 범위 내에서 ±150 fs2 이내이다. SHG에서의 출력(16)이 청색으로 도시되어 있고, 펌프 빔이 녹색이고, 레이저 빔이 적색으로 도시되어 있다.
최적화된 평면형 공진기를 가지는 레이저의 KLM 체계가 96, 90, 70, 및 50% 반사도를 가지는 출력 커플러를 이용하여 얻어졌다. 대부분의 측정이 94.5 MHz의 펄스 반복율에서 실행되었다. 그러나, KLM 레이저 진동이 펄스 반복율(80 - 120 MHz)의 범위 내에서 얻어졌다. 레이저 특성화(laser characterization)의 결과가 이하의 표에 요약되었다.
표
Figure 112016105683712-pct00003
ROC - 출력 커플러의 반사도Pout - KLM 체계에서의 평균 출력 레이저 파워, τ - 레이저 펄스 지속시간(FWHM), Δλ - 레이저 방출 스펙트럼의 폭(FWHM), λC - 레이저 방출 피크, Ppump - 선택적 펌프 파워
상이한 반사도를 가지는 OC에 대해서 얻어진 도 6의 KLM 레이저(50)의 방출 스펙트럼 및 자기 상관 트레이스가 각각 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 스펙트럼의 그리고 자기 상관 함수의 형상이 OC의 4가지 유형 모두에 대한 sech2 펄스에 상응한다. 이는 펄스 지속시간의 평가를 위해서 0.315의 시간 대역폭 곱을 이용할 수 있게 한다. ROC = 90%(2525 nm)에서 측정된 스펙트럼 내의 작은 피크가 레이저 방출 내의 켈리 측파대(Kelly sideband)의 존재를 나타낸다. 2200 nm 미만의 파장에서 큰 반사기를 통한 누설로 인해서, 반대 측파대가 억제된다. 제2 고조파 생성(SHG)가 다결정질 Cr2 +:ZnS 내에서 직접적으로 얻어졌을 때의 경우에 대한 ROC = 90 및 70%에서 측정된 편평-상단 스펙트럼(flat-top spectra)이 이하에서 설명된다.
수직으로 장착된 다결정질 II-VI 재료를 기초로 하는 KLM 레이저(50) 그리고 특히 다결정질 Cr2 +:ZnS 레이저에 관하여 앞서서 개시된 구성을 요약하면, 안정적인 단일-펄스 fs 레이저 진동이 약 46 fs의 가장 짧은 펄스 지속시간, 및 약 2W의 fs 레이저의 출력 파워를 가지는 펄스 반복율 80 - 120 MHz의 범위에서 일반적으로 얻어진다. 전술한 데이터 전부가 II-VI 이득 매체에 대해서 전례가 없는 것으로 생각된다. 또한, 몇몇 경우에, KLM 레이저(50)가 동작되어, 20 W까지의 출력 파워 및 30 내지 35 피코초 정도로 짧은 펄스 지속시간을 가지는 더 특유적인 데이터를 생성하였다.
펨토초 레이저의 실제적인 적용예가 종종 비선형 주파수 변환(예를 들어, 광학적 고조파 생성, 합 및 차 주파수 생성, 광학적 매개변수 생성)을 요구한다. 예를 들어, 다중-광자에서 중요한, 1.1 내지 1.5 ㎛ 스펙트럼 범위가 광학적 매개변수 생성기와 조합된 Ti:S fs 레이저를 이용하여 다루어질 수 있다. 동일한 스펙트럼 범위가 2.2 내지 3.0 ㎛ 스펙트럼 범위에서 동작하는 TM:II-VI 중간-적외선 fs 레이저의 SHG를 이용하여 다루어질 수 있다.
비선형 재료 내의 SHG의 효율이 분산(기본 레이저 파장 및 기본("SH") 파장의 절반에서의 광 전파 속도의 차이)에 의해서 제한된다. 그에 따라, 기본 파장으로부터 SH 파장으로의 에너지 전달이, 소위 간섭성 길이(coherence length)("CL")로 지칭되는, 비선형 재료의 제한된 길이에서 발생된다. 대부분의 재료에서, CL이 몇십 ㎛ 의 단위이고, 그에 따라 낮은 SH 발생 효율을 초래한다. 이러한 한계를 극복하기 위한 많은 기술이 과거 수십년 동안 개발되었다. 통상적인 기술이 일부 비선형 결정의 복굴절을 기초로 한다. 보다 최근의 개발은, 비선형 재료의 현미경 조직의 엔지니어링(engineering)을 기초로 한다.(준위상 정합(quasi phase matching) 또는 QPM). 표준 QPM 결정은, 희망하는 레이저 파장에서 가장 효과적인 비선형 주파수 변환을 위해서 최적화된, 규칙적인 패턴을 포함하고, 예를 들어 그들은 비선형 주파수 변환의 제한된 대역폭을 갖는다. 보다 정교한 패터닝은, 전체적인 변환 효율의 감소를 수반하는, 대역폭의 증가를 가능하게 한다.
여기에서 이용된 다결정질 TM:II-VI 재료가 현미경적 단-결정 입자로 이루어진다. 실험에서 이용된 다결정질 TM:II-VI 샘플이 중간 적외선 파장 범위(30-60 ㎛, 파장 및 재료의 유형에 의존한다) 내의 SHG 프로세스의 간섭성 길이 단위의(the order of) 입자 크기를 갖는다. 그에 따라, 다결정질 TM:II-VI 재료가 표준 QPM 재료와 같이 패턴화될 수 있다. 표준 QPM 재료에서와 달리, 패터닝이 완벽하지 않고 무작위화된다(입자 크기 및 결정학적 축의 배향에서 차이가 있다). 이러한 패턴의 무작위화는 (표준 QPM 재료와 비교할 때) 낮은 비선형 이득을 초래한다. 그러나, 무작위화는 매우 넓은 스펙트럼 범위에서 SHG를 허용한다. 그에 따라, 다결정질 TM:II-VI 재료가 비선형 주파수 변환의 매우 큰 대역폭을 갖는다. 비선형 주파수 변환의 효율이 광학적 세기에 강하게 의존한다(예를 들어, SHG 효율이 광학적 세기의 제곱에 비례한다). 그에 따라, 다결정질 TM:II-VI 재료의 비교적 낮은 비선형 이득이 fs 레이저 펄스의 매우 큰 세기에 의해서 보상될 수 있다. 다결정질 TM:II-VI 재료에 관해서 설명된 성질은 fs 레이저 방출의 비선형 주파수 변환에 있어서 중요하다.
특히 도 9 및 도 10을 참조하면, KLM 레이저(50)가 다결정질 TM:II-VI 이득 매체(4')로 구성된다. 도 10의 개시된 구성이 동작되어, 도 9에서 황색(SHG), 녹색(THG) 및 청색(FHG)으로 각각 도시된 각각의 제2, 제3 및 제4 고조파 발생 파장뿐만 아니라, 양자 모두가 검은색(SFG 및 DFG)으로 도시된 합- 및 차-주파수 파장에서 빔을 동시적으로 출력한다.
기본 파장의 레이저 출력이 OC(8)을 부분적으로 전도하는 것을 통해서 실시된다. 각각의 제2, 제3, 및 제4 고조파의 레이저 출력은 거울(18)에서의 반사 이후에 거울(20)을 통해서 공진기를 떠난다. 모든 공진기의 거울이 큰 고조파 출력을 생성하도록 특별하게 설계될 필요가 없다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 테스트된 장치에서, SHG 파장 범위 내의 거울 전도가 약 50%이고 파장의 함수로서 진동된다. 도 11a는, 거울(20) 뒤에 배치된 이후에 IR 민감성 카드에 의해서 얻어진 각각의 기본적(A), 제2(B), 제3(C) 및 제4(D) 고조파 파장(각각, 2300, 1150, 770, 575 nm)에서의 2 W KLM 레이저(50)의 출력의 전형적인 이미지의 스냅샷을 도시한다. 도 11b는 OC(8) 위에 배치된 열카메라에 의해서 측정된 기본 주파수 및 제2 고조파에서의 출력 빔의 2개의 이미지를 도시한다. 도 11c는, SHG 파장에서 획득된 KLM 레이저 펄스 트레인의 파형과 관련된 그래프를 도시한다. 그에 따라, 중간-적외선 펨토초 레이저 방출의 상당한 분율(50%까지)이 제2 고조파로 변환되고, SH 파워의 양이 OC 반사도의 제어에 의해서 조정될 수 있다.
SHG 파장에서의 도 10의 fs 레이저(50)의 출력 파워가 거울(20) 이후에 30 mW 였다. 이는, 공진기 내부에서 240 mW SHG 파워를 획득할 수 있게 한다(거울(18, 20)의 50% 전도 그리고 SHG이 2개의 반대 방향들로 발생된다는 사실을 고려하여야 한다). 얻어진 결과는 다결정질 TM:II-VI 재료의 이하의 성질을 보여준다: 다결정질 TM:II-VI 재료가 중간-적외선 fs 펄스의 다소 효율적인 비선형 주파수 변환기이다(예를 들어, 기본 파장 및 SHG 파장에서의 대략적으로 동일한 광학적 파워가 원칙-입증 실험 중에 얻어졌다). 다결정질 TM:II-VI 재료의 위상-정합 대역폭은, 전체 fs 레이저 방출 스펙트럼의 SHG을 허용할 수 있을 정도로 충분히 넓다. 다결정질 TM:II-VI 재료의 위상-정합 대역폭은, 동시적인 SHG, THG, 및 FHG를 허용할 수 있을 정도로 충분히 넓다. 개시된 평면형 공진기 내부의 다결정질 TM:II-VI 재료가 비선형 주파수 변환기 뿐만 아니라 fs 레이저 이득 매체로서 기능할 수 있다. 그에 따라, 레이저(50)는, 현미경적 단-결정 입자의 크기가 SHG, THG 및 FHG 프로세스의 간섭성 길이 단위일 때 이득 매체(4')의 다결정질 조직으로 인해서 4개의 상이한 파장의 다중 fs 출력을 출력할 수 있을 것이다.
입자 크기 및 결정학적 축의 배향의 차이가, 준위상 정합형(QPM) 비선형 변환기에서와 같은, 재료의 '패터닝'을 초래한다. 표준 QPM 재료에서와 달리, 패터닝이 규칙적이 아니고 무작위적이다. 한편으로, 무작위적으로 패터닝된 재료 내의 비선형 이득이 매우 작다. 다른 한편으로, 무작위 패터닝은 비선형 주파수 변환의 매우 큰 대역폭을 초래한다. 따라서, 다결정질 Cr2 +:ZnS 의 작은 비선형 이득이 공진기 내부의 fs 레이저 펄스의 큰 피크 세기에 의해서 보상된다. 요약하면, 무작위형 QPM을 가지는 다결정질 TM:II-VI 재료의 이용이 이하의 중요한 특징을 갖는다:
(i) 다결정질 TM:II-VI 재료의 이용은, 매체의 매우 큰 비선형 대역폭으로 인해서, fs 레이저의 전체 방출 스펙트럼의 비선형 주파수 변환을 허용한다.
(ii) 다결정질 TM:II-VI 재료 내의 비선형 주파수 변환이 SHG, 기본 파장의 레이저 방출과 그 광학적 고조파 사이의 합 주파수 혼합, fs 레이저와 다른 레이저 공급원(예를 들어, 펌프 레이저) 사이의 합 및 차 주파수 혼합, 등을 포함할 수 있을 것이다.
(iii) 수직 입사에서의 다결정질 TM:II-VI 재료의 장착은 매체 내부의 레이저 빔의 크기를 감소시킬 수 있게 하고, 그에 따라, 광학적 세기를 증가시킬 수 있게 하며, 그에 따라 비선형 변환 효율을 상당히 증가시킬 수 있게 한다.
(iv) fs 레이저의 평면형 공진기 내부의 다결정질 TM:II-VI 재료의 장착은 기본 레이저 파장 및 많은 수의 이차적인 파장(SHG, THG, FHG, SFG, DFG, 등)의 fs 레이저 펄스의 동시적인 생성을 허용한다.
(v) KLM 레이저의 평면형 공진기 내부의 수직 입사에서의 다결정질 TM:II-VI 매체의 장착은 이득 요소의 길이의 증가를 허용하고, 그에 따라 비선형 상호 작용의 길이의 증가를 허용하며, 그에 따라 비선형 변환 효율의 상당한 증가를 허용한다.
(vi) KLM 레이저의 평면형 공진기 내부의 다결정질 TM:II-VI 재료의 장착은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 케르 비선형성 및 재료 내의 다른 비선형성 사이의 상호 작용을 통해서 fs 레이저 매개변수의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
(vii) KLM 레이저의 평면형 공진기 내부의 다결정질 TM:II-VI 재료의 장착은 비선형 변환 효율을 최대화할 수 있게 하는데, 이는, 공진기 내부에서 순환하는 광학적 파워가 공진기 외부의 광학적 파워 보다 항상 더 크기 때문이다. 또한, 평면형 공진기 내부의 광학적 파워(그리고, 그에 따라, 다결정질 TM:II-VI 재료 내의 레이저 빔의 세기)이 출력 커플러의 반사도의 최적화에 의해서 정밀하게 제어될 수 있다.
(viii) SHG, THG, FHG, SFG, DFG 파장에서의 다결정질 TM:II-VI fs 레이저의 이차적인 출력이, 기본 레이저 파장에서의 큰 반사도(HR) 및 이차적인 파장에서의 큰 투과(HT)를 가지는 특별하게 설계된 이색성 거울을 통해서 실시될 수 있다.
(ix) SHG, THG, FHG, SFG, DFG 파장에서의 다결정질 TM:II-VI fs 레이저의 이차적인 출력이, 기본 레이저 파장에서의 HT 및 이차적인 파장에서의 HR을 가지는 특별하게 설계된 유전체 코팅된 판을 통해서 실시될 수 있다. 그러한 판이, 예를 들어, 다결정질 TM:II-VI 광학적 요소와 공진기 거울 사이에 장착될 수 있다.
도 12 및 도 12a는 다결정질 TM:II-VI 케르 렌즈 모드 잠금형 레이저(50)의 매개변수를 제어하기 위한 개략도를 도시한다. 도 4의 개략도와 유사하게, 도시된 개략도는 광학적 펌프 공급원(1), 펌프 빔 집속 및 성형 광학장치(2), 레이저 파장에서의 큰 반사도 및 펌프 파장에서의 큰 전도를 가지는 접힘구조의 오목한 유전체 코팅된 거울(3), 수직 입사에서 장착된 반사방지(AR) 코팅된 다결정질 TM:II-VI 이득 요소(4')로 구성된다. 이득 요소(4')가, 2개-화살표 선에 의해서 도시된 바와 같은 레이저 빔을 따른 병진운동을 허용하는 도 12a의 스테이지(30) 상에 장착된다. KLM 레이저(50)는 레이저 파장에서의 큰 반사도(그리고 선택적으로 펌프 및/또는 SHG, THG, FHG, SFG, DFG 파장에서의 큰 투과)를 가지는 접힘구조의 오목한 유전체 코팅된 거울(5)을 더 포함한다. KLM 레이저는 또한 (유전체 또는 금속 코팅된) 레이저 파장에서 큰 반사도를 가지는 평면형 거울(6), 선택적인 편광화 구성요소 및, 브루스터의 각도에서 레이저 공진기 내에 장착되는 평면 평행 판으로서 구성된, 프리즘(7)과 같은, 분산 보상 구성요소를 갖는다. 개시된 KLM 레이저는 기본 파장에서 레이저 빔(9)을 출력하기 위해서 투과적인 출력 커플러(8), 및 SHG 파동(및/또는 THG, FHG, SFG, DFG 파장)에 대해서 투과적인 이차적인 출력(10)을 더 포함한다. 레이저 빔의 경로가 적색으로 도시되어 있고 펌프 빔이 녹색으로 도시되어 있다.
케르-렌즈 모드 잠금형 레이저가 케르 효과: 집중적인 광이 광학적 매체 내에서 전파될 때 발생되는 비선형 광학적 효과에 의존하며; 그러한 효과는 매체의 굴절률의 순간적으로 발생되는 변경으로서 설명될 수 있다. 케르 효과의 "강도"가 광학적 세기에 비례한다: S Kerr 　~　I. 그에 따라, 이득 매체 내의 레이저 빔의 엄격한 집속이 KLM 레이저에서 필수적이다. 이득 매체를 레이저 빔의 허리부 내의 2개의 곡선형 거울들 사이에 배치하는 것에 의해서 그리고 곡선형 거울들 사이의 거리를 최적화하는 것에 의해서, 요구되는 집속이 일반적으로 달성된다. 레이저 빔의 허리부가 도 12a에 개략적으로 도시되어 있다. 광학적 세기가 레이저 빔 면적에 비례하고 그에 따라 광학적 세기가 허리부에서 최대에 도달하고 빔 크기가 증가함에 따라 감소된다.
다결정질 TM:II-VI 매체가 KLM 레이저를 위한 적합한 재료라는 것을 실험이 보여준다. 실험은 또한, 다결정질 TM:II-VI 매체가 앞서서 개시한 바와 같이 중간-적외선 fs 펄스를 위한 어느 정도 효과적인 SHG 변환기라는 것을 보여준다. SHG 효과의 "강도"가 광학적 세기의 제곱에 비례한다: S SHG 　~　I 2 .
그에 따라, 2개의 비선형 효과가 다결정질 TM:II-VI KLM 레이저 내에서 동시적으로 발생된다: 케르 렌즈(lensing)(I에 비례) 및 SHG(I2에 비례). 광학적 세기에 대한 케르 렌즈의 그리고 SHG의 상이한 의존성은, 레이저 빔의 허리부를 따른 다결정질 TM:II-VI 이득 요소의 병진운동에 의해서 2개의 비선형 효과의 상대적인 "강도들"을 변화시킬 수 있게 한다. 그에 따라, 다결정질 TM:II-VI 매체의 비선형적 작용이 이러한 2개의 비선형적 효과들 사이에서 제어 가능한 방식으로 재분포될 수 있다.
특히, 도 13, 도 13a 및 도 13b는 도 12의 곡선형 거울(3 및 5)에 대한 이득 매체(4')의 2개의 위치(적색 및 청색)에 대해서 얻어진 방출 스펙트럼, 자기 상관 트레이스를 도시한다. 확인될 수 있는 바와 같이, 다결정질 Cr:ZnS 이득 요소의 병진운동이 fs 레이저 매개변수의 상당한 변경을 초래하였다: 펄스 지속시간이 84 fs로부터 68 fs로 감소되었다(방출 스펙트럼의 폭이 비례적으로 증가되었다). 그에 따라, 제시된 방법은 fs 레이저 매개변수의 정밀한 조정을 허용한다. 또한, 다결정질 Cr:ZnS 이득 요소의 병진운동은 SHG 파장(~10 mW 내지 ~20 mW)에서의 fs 레이저 출력 파워의 변경을 초래하였다. SHG 출력의 증가가 기본 파장에서의 레이저 방출 스펙트럼의 왜곡에 의해서 나타났다(레이저 방출의 상당한 분율이 SHG으로 변환됨에 따라, 큰 SHG 출력이 편평-상단 방출 피크에 상응한다). 도 14를 참조하면, 다결정질 TM:II-VI KLM 레이저 매개변수의 정밀한 제어 능력이, 전술한 바와 같이 중간-적외선 TM:II-VI KLM 레이저와 관련된 종래 기술에서 결코 얻어질 수 없었던, 46 fs 펄스 지속시간을 초래한다.
다결정질 TM:II-VI 재료 내의 케르 효과의 그리고 충분히 강한 SHG 효과의 동시적인 존재가 이하의 중요한 적용예를 갖는다:
(i) 레이저 빔의 허리부를 따른, KLM 레이저의 평면형 공진기 내부에 장착되는, 다결정질 TM:II-VI 이득 요소의 병진운동은 기본 파장에서의 일차적인 출력과 SHG, THG, FHG, SFG, DFG 파장에서의 이차적인 출력 사이의 fs 레이저 파워의 정밀한 재분포를 가능하게 한다.
(ii) 레이저 빔의 허리부를 따른, KLM 레이저의 평면형 공진기 내부에 장착되는, 다결정질 TM:II-VI 이득 요소의 병진운동은 fs 레이저 매개변수(방출 스펙트럼의 펄스 지속시간, 폭 및 형상)의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
(iii) 다결정질 TM:II-VI 재료 내의 케르 효과의 그리고 충분히 강한 SHG 효과의 동시적인 존재는 (통상적인 케르-렌즈 모드 잠금형 체계와 비교할 때) 더 짧은 레이저 펄스의 생성을 가능하게 한다.
개시된 구조의 다양한 변화가, 사상 및 그 본질적인 특성으로부터 벗어나지 않고도 이루어질 수 있을 것이다. 그에 따라, 전술한 설명에 포함된 모든 것이 단지 예시적인 것으로 해석되어야 할 것이고, 제한적인 의미에서, 개시 내용의 범위가 첨부된 청구항에 의해서 형성된다.

Claims (20)

  1. 공진 공동과,
    다결정 전이 금속 도핑된 II-VI 재료(TM:II-VI)로부터 선택된 이득 매체와,
    상기 이득 매체에 결합되는 펌프 빔을 방출하도록 동작 가능한 선형 편광 섬유 레이저 펌프원을 포함하고, 상기 공진 공동이 기본 파장에서 펄스 레이저 빔을 방출할 수 있는 케르-렌즈 모드 잠금을 발생하도록, 상기 이득 매체가 입사광에 대하여 수직인 각도로 절단되고, 상기 공진 공동 내에 장착되고, 상기 기본 파장에서 방출된 레이저 빔의 펄스가 각각 1.8 내지 8㎛의 파장 범위에서 변화되고, 30 내지 35펨토초(fs)의 시간 범위와 같거나 그보다도 긴 펄스 지속 시간 및 1mW 내지 20와트(W)의 출력 범위 내의 평균 출력을 갖고,
    상기 레이저 빔 및 상기 펌프 빔이, 상기 이득 매체를 통해서 전파되는 동안 원형을 유지하는, 케르 모드 잠금형(KLM) 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체가, 상기 기본 파장의 범위 전체 중에서, 상기 기본 파장의 절반의 출력 레이저 빔(SHG)을 방출할 수 있는 위상 정합 대역을 갖도록 구성된, KLM 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이득 매체의 상기 위상 정합 대역이, 상기 기본 파장의 2차, 3차 및 4차 고조파 파장을 상기 기본 파장과 동시에 발생할 수 있는 위상 정합 대역인, KLM 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체가 TM 도핑된 이원계 및 삼원계 II-VI 재료를 포함하는, KLM 레이저.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 TM 도핑된 이원계 및 삼원계 II-VI 재료가, Cr2+:ZnSe, Cr2+:ZnS, Cr2+:CdSe, Cr2+:CdS, Cr2+:ZnTe, Cr2+:CdMnTe, Cr2+:CdZnTe, Cr2+:ZnSSe, Fe2+:ZnSe, Fe2+:ZnS, Fe2+:CdSe, Fe2+:CdS, Fe2+:ZnTe, Fe2+:CdMnTe, Fe2+:CdZnTe, Fe2+:ZnSSe를 포함하는, KLM 레이저.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 선형 편광 섬유 레이저 펌프원이, 에르븀 또는 툴륨 도핑된 단일 모드 섬유로부터 선택되고, 상기 기본 파장과 상이한 펌프 파장에서 상기 이득 매체에 결합된 상기 펌프 빔을 방출하도록 동작 가능한, KLM 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이득 매체가, 펌핑된 상기 이득 매체 내부에서 다양한 균일의 축 대칭인 열 광학 효과를 발생시키는 결합 펌프 빔에 대하여 균일하게 열을 방출하도록 구성된, KLM 레이저.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 이득 매체의 상기 위상 정합 대역이, 상기 펌프 및 상기 기본 파장의 합, 그들의 차, 그리고 상기 기본 파장과, 2차, 3차 및 4차 광학 고조파 파장의 합에서 출력 레이저 빔을 발생할 수 있는 위상 정합 대역인, KLM 레이저.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체 내부의 광학 강도가, 종래의 브루스터 장착 방식과 비교해서 n배 증가하는, KLM 레이저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체가, 상기 공진 공동의 비점 수차를 실질적으로 보상하도록 구성된, KLM 레이저.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 공진 공동이, 상기 펌프 빔의 경로를 따라 이격되고, 각각이, 상기 기본 파장에 있어서 다른 파장에 있어서의 반사율보다도 높은 반사율을 갖고, 상기 펌프 파장에 있어서 다른 파장에 있어서의 투과율보다도 높은 투과율을 갖도록 구성된, 적어도 2개의 인접한 상류측의 유전체 피복된 접힘 구조의 거울과 하류측의 유전체 피복된 접힘 구조의 거울을 포함하고, 상기 이득 매체가, 상기 접힘 구조의 거울의 사이에 배치되고, 상기 접힘 구조의 거울로부터 이격되며, 상기 하류측의 접힘 구조의 거울이, 상기 2차, 3차 및 4차 고조파 파장을 적어도 부분적으로 투과하도록 구성된, KLM 레이저.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공진 공동이, 상기 기본 파장에 있어서 부분적으로 투과성의 출력 커플러와, 상기 출력 커플러의 상류측에 있고, 상기 기본 파장에 있어서 다른 파장에 있어서의 반사율보다도 높은 반사율을 갖도록 구성된 적어도 하나의 평면 이색성 거울과, 상기 기본 파장 및 상기 2차, 3차 및 4차 광학 고조파 파장에 있어서 다른 파장에 있어서의 투과율보다도 높은 투과율을 갖는 적어도 하나의 중간 평판을 더 포함하는, KLM 레이저.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 공진 공동이, 평면 평행 평판 또는 프리즘으로서 구성되고, 분산을 제한하도록 동작 가능하며, 브루스터 각도로 장착되는 분산 보상 소자를 더 포함하는, KLM 레이저.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 공진 공동이, 브루스터 장착형 복굴절 튜너를 더 포함하는, KLM 레이저.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 기본 파장에 있어서 방출된 레이저 빔의 1차 출력과, 2차, 3차 및 4차 고주파 파장의 각각에 있어서의 2차 출력의 사이에서 레이저 빔의 평균 출력을 제어 가능하게 재분배하기 위한, 상기 레이저 빔의 허리부를 따라서 상기 공진 공동 내에서 상기 이득 매체를 변위하는 병진 스테이지를 더 포함하는, KLM 레이저.
  16. 케르 렌즈 모드(KLM) 잠금형 레이저에 있어서의 펨토초 레이저 방출의 비선형 주파수 변환을 위한 방법이며,
    복수 경로 공진 공동을 제공하는 단계와,
    수직 입사각에서 절단된 전이 금속 도핑된 II-VI(TM:II-VI) 재료로부터 선택된 이득 매체를 상기 공진 공동 내에 장착하고, 펌프 파장에 있어서의 펌프 빔을 생성하고, 상기 펌프 빔을 상기 이득 매체에 결합하며, 그것에 의해 상기 펌프 파장과는 상이한 기본 파장에 있어서의 일련의 출력 펄스를 포함하는 레이저 방출광의 1차 출력을 방출하도록 공진 공동을 케르-렌즈 모드 잠금하는 단계를 포함하고,
    상기 펄스가 각각 1.8 내지 8㎛의 파장 범위 내에서 변화되고, 30 내지 35펨토초(fs)의 시간 범위와 같거나, 또는 그보다 긴 펄스 지속 시간 및 1mW 내지 20와트(W)의 출력 범위 내의 평균 출력을 갖고,
    상기 레이저 방출광 및 상기 펌프 빔이, 상기 이득 매체를 통해서 전파되는 동안, 원형을 유지하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 1차 출력과 동시에, 상기 파장 범위를 따른 상기 기본 파장의 2차 고조파 파장에 있어서의 상기 레이저 방출광의 2차 출력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 1차 출력 및 2차 출력과 동시에, 상기 기본 파장의 3차 및 4차 고조파 파장에 있어서의 상기 레이저 방출광의 부가적인 출력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 펌프 파장과 상기 기본 파장의 합, 그들의 차, 그리고 기본 파장과 2차, 3차 및 4차 광학 고조파 파장의 합, 및 그들의 차에 있어서의 상기 레이저 방출광의 부가적인 출력을 발생하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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